伺服電機(jī)解析，什么是伺服系統(tǒng)？伺服電機(jī)的使用與注意事項(xiàng)

　　伺服可作為交流或直流電動(dòng)機(jī)。早期一般伺服直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橹挥蓄愋偷目刂拼箅娏魇峭ㄟ^序列多年。隨著晶體管成為能夠控制大電流和開關(guān)的大電流在更高的頻率，交流伺服電機(jī)成為更經(jīng)常地使用。早期伺服是專為伺服放大器。今天，一類是電機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，籌措，可能使用伺服放大器或變頻控制器，這意味著電動(dòng)機(jī)可用于伺服系統(tǒng)在一個(gè)應(yīng)用程序，并使用變頻驅(qū)動(dòng)器在另一應(yīng)用程序。有些公司還要求任何閉環(huán)系統(tǒng)，不使用步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)，所以它是可能的一個(gè)簡(jiǎn)單的交流感應(yīng)電機(jī)是連接到一個(gè)速度控制器，被稱為伺服電機(jī)。

　　伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　準(zhǔn)確講，伺服電機(jī)是一種數(shù)字化控制的電機(jī)，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，用于定位控制。其位移是通過脈沖信號(hào)數(shù)量控制的，轉(zhuǎn)速是通過脈沖頻率控制的。伺服電機(jī)屬于閉環(huán)控制的電機(jī)，必須采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的編碼器信號(hào)，才能夠?qū)崿F(xiàn)控制。與此相反的，是步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)開環(huán)控制。通常伺服電機(jī)，不是說“容量”，而是說功率。其功率能夠做的很小，也可以做得非常大，甚至幾十或者幾百千瓦。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Servo System）簡(jiǎn)稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控車床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（使用在電機(jī)系統(tǒng)中的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了能夠和絲杠等機(jī)械部件直接相連。伺服電機(jī)有一種專門的小慣量電機(jī)，為了得到極高的響應(yīng)速度。但這類電機(jī)的過載能力低，當(dāng)使用在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，必須加減速裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)慣量的3倍）較大等特點(diǎn)，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電動(dòng)機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度/或位置閉環(huán)。

　　伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。 伺服電機(jī)工作原理：伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服電機(jī)精確定位的目的。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

　　交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。

　　目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子。空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

　　1、接線

　　將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號(hào)線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號(hào)線、伺服輸出的編碼器信號(hào)線。復(fù)查接線沒有錯(cuò)誤后，電機(jī)和控制卡（以及PC）上電。此時(shí)電機(jī)應(yīng)該不動(dòng)，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不是這樣，檢查使能信號(hào)的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，檢查控制卡是否可以正確檢測(cè)到電機(jī)位置的變化，否則檢查編碼器信號(hào)的接線和設(shè)置。

　　2、試方向

　　對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號(hào)的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號(hào)。這是伺服應(yīng)該以一個(gè)較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會(huì)有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個(gè)指令或參數(shù)，看電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個(gè)指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認(rèn)給出正數(shù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)增加；給出負(fù)數(shù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)減小。如果電機(jī)帶有負(fù)載，行程有限，不要采用這種方式。測(cè)試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機(jī)上的參數(shù)，使其一致。

　　3、抑制零漂

　　在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會(huì)對(duì)控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細(xì)調(diào)整，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機(jī)性，所以，不必要求電機(jī)轉(zhuǎn)速絕對(duì)為零。

　　伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

　　直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

　　伺服電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，雖然質(zhì)量越來越好，但如果日常使用中不注意維護(hù)與保養(yǎng)，再好的產(chǎn)品也經(jīng)不起折騰。下面我們簡(jiǎn)單總結(jié)一下伺服電機(jī)的使用注意事項(xiàng)：

　　1、伺服電機(jī)維護(hù)與保養(yǎng)

　?。?）伺服電機(jī)雖然擁有很高的防護(hù)等級(jí)，可以用在多塵、潮濕或油滴侵襲的場(chǎng)所，但并不意味著你就能把它浸在水里工作，應(yīng)盡量將其置于相對(duì)干凈的環(huán)境中。

　?。?）如果伺服電機(jī)連接到一個(gè)減速齒輪，使用伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)加油封，以防止減速齒輪的油進(jìn)入伺服電機(jī)。

　?。?）定期檢查伺服電機(jī)，確保外部沒有致命的損傷;

　?。?）定期檢查伺服電機(jī)的固定部件，確保連接牢固;

　?。?）定期檢查伺服電機(jī)輸出軸，確保旋轉(zhuǎn)流暢;

　?。?）定期檢查伺服電機(jī)的編碼器連接線以及伺服電機(jī)的電源連接器，確認(rèn)其連接牢固;

　?。?）定期檢查伺服電機(jī)的散熱風(fēng)扇是否轉(zhuǎn)動(dòng)正常;

　?。?）及時(shí)清理伺服電機(jī)上面的灰塵、油污，確保伺服電機(jī)處于正常狀態(tài);

　　2、保護(hù)伺服電機(jī)電纜

　　（1）確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷，尤其是在電纜出口處或連接處。

　?。?）在伺服電機(jī)移動(dòng)的情況下，應(yīng)把電纜牢固地固定到一個(gè)靜止的部分（相對(duì)電機(jī)），并且應(yīng)當(dāng)用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來延長(zhǎng)它，這樣彎曲應(yīng)力可以減到最小。

　　（3）電纜的彎頭半徑做到盡可能大。

　?。?）伺服電機(jī)的電纜不要浸沒在油或水中。

　　3、確定伺服電機(jī)允許的軸端負(fù)載

　　（1）確保在安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加到伺服電機(jī)軸上的徑向和軸向負(fù)載控制在每種型號(hào)的規(guī)定值以內(nèi)。

　?。?）在安裝一個(gè)剛性聯(lián)軸器時(shí)要格外小心，特別是過度的彎曲負(fù)載可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損

　　（3）最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負(fù)載低于允許值，此物是專為高機(jī)械強(qiáng)度的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的。

　　（4）關(guān)于允許軸負(fù)載，請(qǐng)參閱使用說明書。

　　4、伺服電機(jī)安裝注意事項(xiàng)

　?。?）在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機(jī)軸端時(shí)，不要用錘子直接敲打軸端。（如果錘子直接敲打軸端，會(huì)造成伺服電機(jī)軸另一端的編碼器要被敲壞）

　?。?）竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)（否則可能導(dǎo)致振動(dòng)或軸承損壞）。